量子点中重空穴-轻空穴耦合和发光极化各向异性机制和量子调控

The heavy-hole (HH) and light-hole (LH) coupling and emission polarization in quantum dots (QDs) are tow of most critical properties to realize QD based quantum information and quantum computing. The HH-LH coupling has profound effects on all kinds of electronic, optical, and spintronic properties of QDs. While optical polarization anisotropy of QDs is paramount important for optical initialization of hole spin qubit. The prerequisite of realization of QD based quantum information and quantum schemes is to deeply and correctly understanding the mechanisms of HH-LH coupling and optical polarization anisotropy as well as engineering them in a wide range of magnitude. However, there is curious misunderstanding in the common thoughts on the mechanisms of HH-LH coupling and optical polarization anisotropy. Based on our well-demonstrated atomistic pseudopotential method, we propose here to develop simulation methods which could accurately calculate the magnitude of HH-LH coupling and degree of optical polarization anisotropy for QDs. Therefore, we can understand the real mechanisms inducing HH-LH coupling and optical polarization anisotropy of QDs, and fininally present design principle of QDs to archive engineering the HH-LH coupling and degree of optical polarization anisotropy in a wide range of magnitude. Our results will provide a benchmark and guidance for developing reasonable model Hamiltonian approaches to capture correctly them. Our goal is to provide new routes for designing and exploring QD based quantum information and quantum computing from the achievements of this proposal.

量子点中重空穴－轻空穴态耦合和发光极化是实现基于量子点量子信息和量子计算的两个关键性质。重空穴－轻空穴耦合对量子点的各种电学、光学和电子自旋性质都有深刻的影响，而量子点发光极化各向异性在实现光学激发的方法制备空穴量子比特起到关键的作用。对它们进行深入和正确地理解并能够根据实际应用的需求对它们进行大范围地调控是实现基于量子点量子信息和量子方案的前提条件。但是，对引起量子点中重空穴-轻空穴和发光极化各向异性的机制的认识普遍存在严重的误解。基于原子论经验赝势方法我们在此提出发展可精确计算量子点中重空穴－轻空穴态耦合和发光极化的模拟方法，从而能够揭露量子点中重－轻空穴耦合和发光极化的真正原理，为调控这两个关键物理量提出量子点的设计原理，并为发展简单可靠的模型哈密顿量近视方法提供基准和指导。我们的目标是通过我们的研究成果为设计和开发基于量子点的量子信息和量子计算提供新的途径。

量子点中重空穴-轻空穴态耦合和发光极化是实现基于量子点量子信息和量子计算的两个关键性质。重空穴-轻空穴耦合对量子点的各种电学、光学和电子自旋性质都有深刻的影响，而量子点发光极化各向异性在实现光学激发的方法制备空穴量子比特起到关键的作用，对它们进行深入和正确地理解并能够根据实际应用的需求对它们进行大范围地调控是实现基于量子点量子信息和量子方案的前提条件。本项目的研究目的是基于原子论经验赝势方法发展可精确计算量子点中重空穴-轻空穴态耦合和发光极化的模拟方法，从而能够揭露量子点中重-轻空穴耦合和发光极化的真正原理，为调控这两个关键物理量提出量子点的设计原理，并为发展简单可靠的模型哈密顿量近视方法提供基准和指导。取得的重要研究结果包括，（1）在传统半导体量子线中发现轻重空穴耦合在电场作用下产生一个新奇空穴Rashba自旋轨道耦合效应，这个新的Rashba效应的强度在一个很小的外加电场作用下可以从零迅速攀升到一个很大的饱和值，随后其强度不随电场的继续增大而发生变化，其饱和强度要比相应电子Rashba效应大2个数量级，即使对于自旋轨道相互作用很弱的硅，它的量子线拥有的空穴Rashba效应的饱和强度也接近文献报道的InAs等窄带隙半导体电子Rashba效应的最大值，这一性质可以用来发展超高速自旋轨道效应量子器件。（2）发现半导体量子点中存在轻重空穴的超耦合机制。除此外，在本项目的资助下我们还系统研究了（3）硅量子点的发光机制，解释了半导体量子点光吸收强弱的起源，发展了统一理论来解释传统半导体的直接带隙和间接带隙形成机理；（4）揭示了半导体界面的电荷转移机理和铜、银在半导体材料中的扩散行为；（5）揭示半导体界面电荷转移机理；（6）揭示理论上不存在既高效又稳定的半导体光解水制氢等等。在本项目资助下共发表SCI论文16篇，包括项目负责人以第一作者或者通信作者发表Nature Nanotechnology一篇，PRL两篇，JACS一篇，Nano Letters两篇，PRB和PRApplied4篇。